典型盒型承壓結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

薛 斌

（中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210）

典型盒型承壓結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

薛 斌

（中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210）

龍骨梁為飛機(jī)結(jié)構(gòu)中重要的縱向加強(qiáng)件，主要承受壓縮載荷。國內(nèi)外對此結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路多種多樣，但基本以盒型結(jié)構(gòu)作為主要承載單元。針對飛機(jī)龍骨梁中常見的兩類典型盒型結(jié)構(gòu)，從受壓屈曲模態(tài)、應(yīng)力分布兩個方面，利用ABAQUS分析了兩種筋條-蒙皮材料分配比例盒型結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點(diǎn)，以期能夠?qū)卸谓Y(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計過程起到幫助。關(guān)鍵詞：盒型結(jié)構(gòu)；承載特點(diǎn)；有限元分析

龍骨梁是機(jī)身中部與機(jī)翼相連處重要的縱向加強(qiáng)件，為機(jī)身中部起落架艙和中央翼大開口提供開口補(bǔ)強(qiáng)。對于大多數(shù)下單翼飛機(jī)而言，龍骨梁主要承受壓縮載荷。載荷的來源包括龍骨梁側(cè)壁板承剪的方式轉(zhuǎn)化中央翼盒扭矩、后機(jī)身重力以及水平安定面產(chǎn)生的俯仰平衡力矩。對于部分寬體飛機(jī)（如波音787），龍骨梁還承擔(dān)了由剪切板轉(zhuǎn)換成為壓縮載荷的后機(jī)身垂直方向剪力。

受到結(jié)構(gòu)形式、飛機(jī)設(shè)計思想繼承性以及工藝水平等多方面的影響，龍骨梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路也有很大不同?？罩锌蛙囅盗械娘w機(jī)的龍骨梁（后稱A型）采用了剛度相對較低的縱向筋條配合較強(qiáng)的壁板蒙皮組成盒形結(jié)構(gòu)承受壓縮載荷。以麥道-82/90為例（后稱B型），主要通過剛度很高的主筋條配合各個方向防止失穩(wěn)的支撐件，確保其能承受較高的應(yīng)力水平。盒段結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要考慮減輕重量和具體制造過程所需的施工空間，在壁板的適當(dāng)位置布置開孔。

龍骨梁結(jié)構(gòu)貫穿整個中央翼、起落架艙區(qū)域，并向前后機(jī)身延伸，從位置上可以劃分為中央翼段、起落架艙內(nèi)段和前后延伸段。其中，對于大多數(shù)龍骨梁結(jié)構(gòu)而言，起落架艙內(nèi)段主要承受壓縮載荷，本文即針對該區(qū)域進(jìn)行分析。在工程中，為取得計算精度與效率的平衡，主要采用板-桿結(jié)構(gòu)通過結(jié)構(gòu)力學(xué)或有限元建模的方式進(jìn)行分析和校核[1-2]。由于該兩類模型相對實際結(jié)構(gòu)簡化過程的存在，導(dǎo)致其對細(xì)節(jié)分析能力較弱。本文采用ABAQUS中廣泛使用的4R殼單元和B31梁單元[3]建立細(xì)化模型，以期獲得更詳細(xì)和全面的分析。

1 A型盒段模型的建立與分析

1.1 模型描述

A類模型包括上蓋板、左右側(cè)壁板、底部壁板和中間隔板。在上蓋板上布置有4根緣條，在底部壁板上布置有5根緣條。龍骨梁的上蓋板、側(cè)腹板、下蒙皮材料為7475-T351，緣條材料為7150-T7751，隔板材料為7050-T7451。為了避免端部效應(yīng)的干擾，分別向前/后延伸兩格用以施加載荷與位移邊界條件。有限元單元的選擇方面，使用殼單元模擬壁板蒙皮、梁單元模擬上下壁板加強(qiáng)筋。其中，梁單元的截面尺寸與實際尺寸相同，蒙皮尺寸選取未加強(qiáng)部分厚度進(jìn)行計算。為了方便計算和分析，對實體模型進(jìn)行了簡化，圖1為顯示材料厚度及筋條截面后，A型龍骨梁所采用的盒段結(jié)構(gòu)的有限元模型。

圖1 A型盒段模型截面

邊界條件方面，加載端建立參考點(diǎn)，與加載端部邊緣所有節(jié)點(diǎn)綁定，施加壓縮方向上的單位載荷。約束除加載方向以外加載端邊緣的其他方向自由度。支持端約束全部邊緣的各個自由度。兩側(cè)由分析對象所在格段分別延伸兩段以消除端部效應(yīng)的影響。如圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分

有限元單元包括S4R殼單元和B31梁單元，整個模型包括54051個單元和56690個節(jié)點(diǎn)。模型輸出殼單元和梁單元的應(yīng)變、應(yīng)力及位移數(shù)據(jù)用于比對。計算過程使用ABAQUS線性攝動步進(jìn)行屈曲模態(tài)和特征值計算，靜態(tài)加載過程進(jìn)行線性壓縮段應(yīng)力和應(yīng)變分布的模擬。為研究減重孔影響，同時建立不含減重孔的盒段模型，進(jìn)行比較。

1.2 計算結(jié)果分析

（1）穩(wěn)定性分析

為研究減重孔對于盒段結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的載荷、模態(tài)產(chǎn)生的影響，本文首先計算了盒段的屈曲模態(tài)與屈曲特征值。表1為分析段屈曲模態(tài)及對應(yīng)特征值。

根據(jù)表1可知，減重孔的存在，大幅改變了盒段結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部屈曲的位置和特征值。對于不含開口的盒段結(jié)構(gòu)，由于蒙皮受到四個邊界上的約束，上壁板兩根長桁間蒙皮中部發(fā)生局部失穩(wěn)。雖然特征值較高，但蒙皮失穩(wěn)范圍較大，一旦發(fā)生失穩(wěn)，可能會直接影響結(jié)構(gòu)的承載能力。對于含有減重孔盒段結(jié)構(gòu)而言，上壁板中部加強(qiáng)長桁位于開口邊緣的位置成為失穩(wěn)危險位置。

表1 減重孔對屈曲模態(tài)影響

根據(jù)屈曲變形的位移云圖（見圖 3），可以看出該區(qū)域蒙皮開口削弱了蒙皮對于筋條的支持作用，筋條在面內(nèi)和面外方向均較易產(chǎn)生失穩(wěn)，承載能力降低。因而，對于該類含有較厚壁板的盒段結(jié)構(gòu)而言，開口周邊的補(bǔ)強(qiáng)，不僅要考慮壁板本身的強(qiáng)度校核，應(yīng)當(dāng)同時考慮開口加強(qiáng)件具體形式對于筋條的支持。

圖3 局部屈曲位置梁單元位移云圖

（2）面內(nèi)應(yīng)力計算分析

應(yīng)力分布的分析計算工具采用ABAQUS進(jìn)行，為了避免端部效應(yīng)影響分析，如第2節(jié)（用序號代替）1.1節(jié)中所述，選取中部分析段進(jìn)行研究。由于本文所述模型壁板較厚，在承擔(dān)剪切應(yīng)力的同時將分擔(dān)部分長度方向軸力。本節(jié)中，輸出模型殼單元的面內(nèi)主應(yīng)力以及剪切應(yīng)力，并表示其具體位置。用以分析減重孔對于模型應(yīng)力分布的影響。

由表2可以看出，未開孔模型的最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)于中部橫向隔板與長桁交接位置處。隔板連接位置處由于隔板剛度較高，主要依靠長桁進(jìn)行承載。而隔板中部蒙皮剛度較高，參與承受壓縮應(yīng)力。因而，此處的壁板蒙皮通過剪切的方式自壁板詳蒙皮傳遞載荷。從而形成了高應(yīng)力區(qū)域。

表2 減重孔對于應(yīng)力分布影響

對于含有減重開孔的盒段結(jié)構(gòu)而言，由于壁板中部蒙皮開孔的削弱，蒙皮壁板較少參與承受壓縮應(yīng)力，因而連接位置處剪切應(yīng)力水平較低。剪切載荷危險點(diǎn)出現(xiàn)于開孔對角線位置處。

面內(nèi)主應(yīng)力方面，與上述原理相同，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在隔板連接處的四周壁板蒙皮處，位置與含減重孔件相同。但值得注意的是，孔邊也是主應(yīng)力集中的危險點(diǎn)。

2 B型盒段模型的建立與分析

2.1 模型描述

如圖4所示，麥道82龍骨梁盒段采用了四根高剛度的承壓筋條和較薄的壁板組成盒段承受壓縮載荷。盒段間采用開孔壁板為蒙皮提供支持，四根主承力筋條之間橫向布置加強(qiáng)筋為主筋條提供橫向支撐，以提高其失穩(wěn)載荷。本文按照B型建立與A型龍骨梁盒段截面積相同的盒段模型，按照蒙皮厚度與寬度比例折算模型壁板厚度，并將第1節(jié)（用序號表示）1.1節(jié)中模型上下壁板中部工字型筋條截面積折算到四周筋條上，進(jìn)行建模。有限元模型及數(shù)模截面尺寸對照如圖4所示。

圖4 B型盒段模型截面截面

建模方法、選用單元以及邊界條件的添加與前述類似，在此不再贅述。

2.2 計算結(jié)果分析

（1）穩(wěn)定性計算分析

本文計算了盒段的屈曲模態(tài)與屈曲特征值。表3為分析段屈曲模態(tài)及對應(yīng)特征值。

表3 減重孔對屈曲模態(tài)影響

由上表可以看出，蒙皮開孔的存在提高了局部失穩(wěn)載荷。與上節(jié)所述結(jié)構(gòu)類型不同，本節(jié)中壁板蒙皮厚度較低，且中部缺乏加強(qiáng)筋對于蒙皮的有效支持。另一方面，四根筋條之間的加強(qiáng)也主要依靠壓縮剛度更高的橫向加強(qiáng)件實現(xiàn)。因而，蒙皮在較低載荷下即出現(xiàn)了失穩(wěn)的現(xiàn)象。增加減重孔之后，蒙皮載荷進(jìn)一步降低，反而提高了出現(xiàn)局部失穩(wěn)的載荷。綜上可以總結(jié)得出，對于本節(jié)所述結(jié)構(gòu)形式的盒段結(jié)構(gòu)而言，減重孔并不會對整體穩(wěn)定性造成影響，但是，值得注意的是，蒙皮的局部失穩(wěn)大變形，可能會對蒙皮與筋條連接位置邊緣緊固件帶來很大的附加拉拔力，帶來潛在危險。

（2）面內(nèi)應(yīng)力計算分析

由表4可以看出，該類結(jié)構(gòu)形式盒段承受壓縮載荷是，最大剪切應(yīng)力位于隔板與壁板連接位置處。而開口之后，危險點(diǎn)在開孔邊緣對角位置。面內(nèi)主應(yīng)力方面，不含開孔的盒段結(jié)構(gòu)上下表面應(yīng)力水平較低，危險點(diǎn)位于橫向隔板與上下壁板連接處的邊緣。而開孔的存在進(jìn)一步降低了孔兩側(cè)的應(yīng)力水平。

表4 減重孔對于應(yīng)力分布的影響

3 兩類結(jié)構(gòu)形式的對比和優(yōu)化

綜合上述分析可以總結(jié)得到以下結(jié)論：

從開口的角度分析，以A型結(jié)構(gòu)形式為代表，選用厚壁板配弱筋條的盒段結(jié)構(gòu)，壁板應(yīng)力水平較高，因而開口的存在會顯著增加筋條上的應(yīng)力。另一方面較厚的壁板可以為筋條提供更強(qiáng)的支撐，減重開孔的存在導(dǎo)致臨近筋條在面內(nèi)和面外方向均較容易發(fā)生失穩(wěn)，從而使整體承載能力受到影響。因而，對于該類結(jié)構(gòu)形式的盒形結(jié)構(gòu)而言，開口區(qū)不僅應(yīng)考慮蒙皮強(qiáng)度的校核，還應(yīng)考慮開口區(qū)剛度的補(bǔ)強(qiáng)。而對于薄壁板配合強(qiáng)筋條的B型結(jié)構(gòu)形式的盒段結(jié)構(gòu)來說，由于壁板相對筋條剛度非常低，對于盒段結(jié)構(gòu)承載能力貢獻(xiàn)不大，開孔本身并不會對筋條承載產(chǎn)生直接影響。根據(jù)計算結(jié)果可以看出，開孔由于進(jìn)一步消弱了蒙皮剛度，以及承載能力，反而提高了其失穩(wěn)特征值。對于該類結(jié)構(gòu)，值得注意的是，蒙皮發(fā)生局部失穩(wěn)后，產(chǎn)生的面外方向的位移，可能會對蒙皮與筋條連接位置施加附加載荷，影響校核的結(jié)果。

從抵抗損傷能力的角度分析，含有強(qiáng)筋條及薄壁板的盒形結(jié)構(gòu)，壁板剛度及應(yīng)力水平較低，主要通過筋條進(jìn)行承載。而筋條在隔板位置得到了加強(qiáng)筋較強(qiáng)的支持，故可以提高其應(yīng)力水平，從而獲得較高的承載效率。但是，一旦高應(yīng)力的筋條受到損傷，會對結(jié)構(gòu)整體造成巨大的影響。厚蒙皮與弱筋條組合的盒形結(jié)構(gòu)，依賴筋條與蒙皮組成的厚加筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載，蒙皮應(yīng)力水平相對較高，一旦發(fā)生失穩(wěn)將直接影響整體承載能力。因此該類結(jié)構(gòu)需要控制整體應(yīng)力值。這種特性意味著該類結(jié)構(gòu)抵抗損傷的能力相對強(qiáng)筋條配弱蒙皮的結(jié)構(gòu)形式更強(qiáng)。

從連接的角度分析，B型盒段結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要集中于龍骨梁的四根加強(qiáng)筋條上，需要較長的距離才能將載荷傳遞到機(jī)體結(jié)構(gòu)。另外在加強(qiáng)筋與機(jī)體連接位置處，也需要謹(jǐn)慎選擇緊固件的直徑，并嚴(yán)格控制制孔公差，才能避免出現(xiàn)局部的應(yīng)力集中。對于A型盒段結(jié)構(gòu)來說，蒙皮及筋條的應(yīng)力水平分布較為均衡且數(shù)值較低，并不需要很長的延伸段來分散傳遞龍骨梁上的集中載荷。另外在擴(kuò)散段的連接上，也可以適當(dāng)降低緊固件的選配和制造精度要求。

[1]牛春勻.實用飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及尺寸設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2009.

[2]楊衛(wèi)平.飛機(jī)結(jié)構(gòu)有限元建模指南[M].北京：航空工業(yè)出版社，2013.

[3]Abaqus Scripting User's Manual.Dassault Systèmes Simulia Corp，2010.

Design and Analysis of TypicalBox Structure Under Compression

XUE Bin
（Commercial Aircraft Corporation of China，Ltd.Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai201210，China）

Keel beam is a crucial longitudinal structure of airframe，which mainly bears compression.Although the design of this structure is varied，box structures are the basic bearing units on pressure ofmost airplanes.In this paper，two kinds of typical box structure，with differentmaterial distribution in skin and stringer，are analyzed by ABAQUS in buckling mode and stress distribution.The design characteristics of these structures are summaries with a will to help the detail sizing of these kind of structures.

box structure；load bearing characteristics；FEM analysis

V223.2

A

1672-545X（2015）09-0036-04

2015-06-14

薛 斌（1988-），男，上海人，助理工程師，飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計。